Jak działają komputery samochodowe

Przed wejściem w życie przepisów dotyczących emisji możliwe było zbudowanie silnika samochodowego bez mikroprocesorów. Wraz z wprowadzaniem w życie coraz surowszych przepisów dotyczących emisji, potrzebne były wyrafinowane schematy kontrolne do regulacji mieszanki paliwowo-powietrznej, tak aby katalizator mógł usuwać wiele zanieczyszczeń ze spalin. (Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Jak działają konwertery katalityczne).

Sterowanie silnikiem to najbardziej obciążająca procesor praca w Twoim samochodzie, a jednostka sterująca silnika (ECU) to najpotężniejszy komputer w większości samochodów. ECU używa sterowanie w pętli zamkniętej, schemat kontroli, który monitoruje wyjścia systemu w celu sterowania wejściami do systemu, zarządzając emisjami i zużyciem paliwa przez silnik (a także wieloma innymi parametrami). Zbierając dane z dziesiątek różnych czujników, ECU wie wszystko, od temperatury płynu chłodzącego po ilość tlenu w spalinach. Na podstawie tych danych w każdej sekundzie wykonuje miliony obliczeń, w tym wyszukuje wartości w tabelach, oblicza wyniki długich równań, aby zdecydować o najlepszym czasie zapłonu i określa, jak długo wtryskiwacz paliwa jest otwarty. ECU robi to wszystko, aby zapewnić najniższe emisje i najlepszy przebieg. Zobacz, jak działają systemy wtrysku paliwa, aby uzyskać więcej informacji o tym, co robi ECU.

Nowoczesny ECU może zawierać 32-bitowy procesor 40 MHz. Może to nie brzmieć szybko w porównaniu z procesorem 500 do 1000 MHz, który prawdopodobnie masz w komputerze, ale pamiętaj, że procesor w Twoim samochodzie wykonuje kod znacznie wydajniejszy niż ten w komputerze. Kod w przeciętnym ECU zajmuje mniej niż 1 megabajt (MB) pamięci. Dla porównania, prawdopodobnie masz co najmniej 2 gigabajty (GB) programów na swoim komputerze - to 2000 razy więcej niż w ECU.

-Ten procesor jest zapakowany w moduł z setkami innych komponentów na wielowarstwowej płytce drukowanej. Niektóre inne komponenty w ECU obsługujące procesor to:

• Przetworniki analogowo-cyfrowe - Urządzenia te odczytują sygnały wyjściowe niektórych czujników w samochodzie, np. Czujnika tlenu. Wyjście czujnika tlenu to napięcie analogowe, zwykle od 0 do 1,1 wolta (V). Procesor rozumie tylko liczby cyfrowe, więc przetwornik analogowo-cyfrowy zamienia to napięcie na 10-bitową liczbę cyfrową.
• Wyjścia cyfrowe wysokiego poziomu - W wielu nowoczesnych samochodach ECU zapala świece zapłonowe, otwiera i zamyka wtryskiwacze paliwa oraz włącza i wyłącza wentylator chłodzący. Wszystkie te zadania wymagają wyjść cyfrowych. Wyjście cyfrowe jest włączone lub wyłączone - nie ma między nimi. Na przykład wyjście do sterowania wentylatorem chłodzącym może dostarczać 12 V i 0,5 A do przekaźnika wentylatora, gdy jest on włączony, i 0 V, gdy jest wyłączony. Samo wyjście cyfrowe jest jak przekaźnik. Niewielka ilość mocy, jaką procesor może wyprowadzić, zasila tranzystor na wyjściu cyfrowym, umożliwiając mu dostarczenie znacznie większej ilości mocy do przekaźnika wentylatora chłodzącego, co z kolei zapewnia jeszcze większą ilość mocy dla wentylatora chłodzącego.
• Przetworniki cyfrowo-analogowe - Czasami ECU musi zapewnić analogowe napięcie wyjściowe do napędzania niektórych elementów silnika. Ponieważ procesor w ECU jest urządzeniem cyfrowym, potrzebuje komponentu, który może przekształcić liczbę cyfrową w napięcie analogowe.
• Kondycjonery sygnału - Czasami wejścia lub wyjścia wymagają dostosowania przed ich odczytaniem. Na przykład przetwornik analogowo-cyfrowy, który odczytuje napięcie z czujnika tlenu, może być ustawiony do odczytu sygnału od 0 do 5 V, ale czujnik tlenu wysyła sygnał od 0 do 1,1 V. Kondycjoner sygnału to obwód, który reguluje poziom sygnałów wchodzących i wychodzących. Na przykład, gdybyśmy zastosowali kondycjoner sygnału, który pomnożyłby napięcie pochodzące z sondy lambda przez 4, otrzymalibyśmy sygnał od 0 do 4,4 V, który pozwoliłby przetwornikowi analogowo-cyfrowemu na dokładniejszy odczyt napięcia (więcej informacji można znaleźć w artykule Jak działa nagrywanie analogowe i cyfrowe).
• Chipy komunikacyjne - Te chipy implementują różne standardy komunikacyjne używane w samochodach. Stosowanych jest kilka standardów, ale nazywa się ten, który zaczyna dominować w komunikacji samochodowej MOGĄ (sieć kontrolera). Ten standard komunikacji umożliwia komunikację z szybkością do 500 kilobitów na sekundę (Kb / s). To dużo szybciej niż starsze standardy. Ta prędkość staje się konieczna, ponieważ niektóre moduły przesyłają dane do magistrali setki razy na sekundę. Magistrala CAN komunikuje się za pomocą dwóch przewodów.

W następnej sekcji przyjrzymy się, jak standardy komunikacyjne ułatwiły projektowanie i budowanie samochodów.

-Kolejną zaletą posiadania magistrali komunikacyjnej jest to, że każdy moduł może przekazywać błędy do modułu centralnego, który przechowuje błędy i może przekazywać je do zewnętrznego narzędzia diagnostycznego.

Może to ułatwić technikom zdiagnozowanie problemów z samochodem, zwłaszcza tych sporadycznych, które zwykle znikają, gdy tylko oddasz samochód do naprawy..

BATauto.com: Technical Info Pages zawiera listę kodów usterek przechowywanych w ECU dla różnych producentów samochodów. Czasami dostęp do kodów można uzyskać bez narzędzia diagnostycznego. Na przykład w niektórych samochodach, po wskoczeniu dwóch pinów w złączu diagnostycznym, a następnie przekręceniu kluczyka zapłonu do uruchomienia, kontrolka „check engine” będzie migać określonym wzorem, aby wskazać numer kodu usterki zapisanego w ECU.

Przyjrzyjmy się, jak mikroprocesory i standardy komunikacyjne ułatwiły budowę samochodów.

-Posiadanie standardów komunikacyjnych sprawiło, że projektowanie i budowanie samochodów stało się trochę łatwiejsze. Dobrym przykładem tego uproszczenia jest zestaw wskaźników w samochodzie.

Plik zestaw wskaźników zbiera i wyświetla dane z różnych części pojazdu. Większość tych danych jest już wykorzystywana przez inne moduły w samochodzie. Na przykład ECU zna temperaturę płynu chłodzącego i prędkość obrotową silnika. Sterownik skrzyni biegów zna prędkość pojazdu. Sterownik układu przeciwblokującego (ABS) wie, czy wystąpił problem z ABS.

Wszystkie te moduły po prostu wysyłają te dane do magistrali komunikacyjnej. ECU kilka razy na sekundę wysyła pakiet informacji składający się z nagłówka i danych. Nagłówek to tylko liczba, która identyfikuje pakiet jako odczyt prędkości lub temperatury, a dane to liczba odpowiadająca tej prędkości lub temperaturze. Tablica przyrządów zawiera inny moduł, który wie, że szuka określonych pakietów - za każdym razem, gdy je zobaczy, aktualizuje odpowiedni wskaźnik lub wskaźnik o nową wartość.

Większość producentów samochodów kupuje zespoły instrumentów w pełni zmontowane od dostawcy, który projektuje je zgodnie ze specyfikacjami producenta. To znacznie ułatwia zadanie projektowania tablicy rozdzielczej, zarówno dla producenta, jak i dostawcy.

Producentowi samochodów łatwiej jest powiedzieć dostawcy, jak będzie napędzany każdy miernik. Zamiast informować dostawcę, że konkretny przewód zapewni sygnał prędkości i będzie to napięcie o zmiennym zakresie od 0 do 5 V, a 1,1 V odpowiada prędkości 30 mil na godzinę, producent samochodów może po prostu dostarczyć listę pakietów danych . Następnie obowiązkiem producenta samochodu jest upewnienie się, że prawidłowe dane są wysyłane na magistralę komunikacyjną.

Dostawcy łatwiej jest zaprojektować tablicę przyrządów, ponieważ nie musi on znać żadnych szczegółów dotyczących sposobu generowania sygnału prędkości ani skąd pochodzi. Zamiast tego tablica przyrządów po prostu monitoruje magistralę komunikacyjną i aktualizuje wskaźniki, gdy otrzymuje nowe dane.

Tego typu standardy komunikacyjne sprawiają, że bardzo nieskomplikowane jest zlecanie producentom samochodów outsourcingu projektowania i produkcji komponentów: producent samochodów nie musi martwić się o szczegóły, w jaki sposób napędzany jest każdy miernik lub światło, a dostawca, który produkuje tablicę przyrządów. Nie musisz się martwić, skąd pochodzą sygnały.

-Żyrandole C są obecnie używane na mniejszą skalę w czujnikach. Na przykład tradycyjny czujnik ciśnienia zawiera urządzenie, które wyprowadza zmienne napięcie w zależności od ciśnienia przykładanego do urządzenia. Zwykle napięcie wyjściowe nie jest liniowe, zależy od temperatury i jest napięciem niskiego poziomu, które wymaga wzmocnienia.

Niektórzy producenci czujników oferują inteligentny czujnik, który jest zintegrowany z całą elektroniką, wraz z mikroprocesorem, który umożliwia odczyt napięcia, kalibrację za pomocą krzywych kompensacji temperatury i cyfrowo wyprowadza ciśnienie na magistralę komunikacyjną.

Dzięki temu producent nie musi znać wszystkich zabrudzonych szczegółów czujnika, a moc obliczeniowa modułu, który w innym przypadku musiałby wykonywać te obliczenia, oszczędza moc obliczeniową. To sprawia, że ​​dostawca, który i tak najbardziej zależy na szczegółach czujnika, jest odpowiedzialny za zapewnienie dokładnego odczytu.

Kolejną zaletą inteligentnego czujnika jest to, że sygnał cyfrowy przesyłany przez magistralę komunikacyjną jest mniej podatny na zakłócenia elektryczne. Napięcie analogowe przechodzące przez przewód może podnieść dodatkowe napięcie, gdy przechodzi przez pewne elementy elektryczne, a nawet z napowietrznych linii energetycznych.

Magistrale komunikacyjne i mikroprocesory również pomagają uprościć okablowanie multipleksowanie. Przyjrzyjmy się bliżej, jak oni to robią.

-Multipleksowanie to technika, która może uprościć okablowanie w samochodzie. W starszych samochodach przewody z każdego przełącznika biegną do urządzenia, które zasilają. Z każdym rokiem na polecenie kierowcy coraz więcej urządzeń, multipleksowanie jest konieczne, aby okablowanie nie wymknęło się spod kontroli. W systemie multipleksowanym moduł zawierający co najmniej jeden mikroprocesor konsoliduje wejścia i wyjścia dla obszaru samochodu. Na przykład samochody, które mają wiele elementów sterujących na drzwiach, mogą mieć moduł drzwi kierowcy. Niektóre samochody mają elektrycznie sterowaną szybę, lusterko elektryczne, elektryczną blokadę, a nawet elektrycznie sterowane fotele na drzwiach. Niepraktyczne byłoby wyprowadzenie z drzwi grubej wiązki przewodów, która pochodziłaby z takiego systemu, jak ten. Zamiast tego moduł drzwi kierowcy monitoruje wszystkie przełączniki.

Oto jak to działa: Jeśli kierowca naciśnie przełącznik szyby, moduł drzwi zamyka przekaźnik, który dostarcza zasilanie do silnika szyby. Jeśli kierowca naciśnie przełącznik, aby ustawić lusterko po stronie pasażera, moduł drzwi kierowcy wyśle ​​pakiet danych do magistrali komunikacyjnej samochodu. Ten pakiet mówi innemu modułowi, aby zasilił jeden z silników lustra mocy. W ten sposób większość sygnałów opuszczających drzwi kierowcy jest konsolidowana na dwóch przewodach tworzących magistralę komunikacyjną.

Rozwój nowych systemów bezpieczeństwa spowodował również wzrost liczby mikroprocesorów w samochodach. Porozmawiamy o tym w następnej sekcji.

-W ciągu ostatniej dekady widzieliśmy, jak systemy bezpieczeństwa, takie jak ABS i poduszki powietrzne, stały się powszechne w samochodach. Inne funkcje bezpieczeństwa, takie jak kontrola trakcji i systemy kontroli stabilności, również stają się powszechne. Każdy z tych systemów dodaje nowy moduł do samochodu, a moduł ten zawiera wiele mikroprocesorów. W przyszłości tych modułów będzie coraz więcej w całym samochodzie, w miarę dodawania nowych systemów bezpieczeństwa.

Każdy z tych systemów bezpieczeństwa wymaga większej mocy obliczeniowej i jest zwykle pakowany we własny moduł elektroniczny. Ale to nie koniec. W nadchodzących latach będziemy mieć w naszych samochodach różnego rodzaju nowe funkcje zwiększające wygodę, a każdy z nich wymaga większej liczby modułów elektronicznych zawierających wiele mikroprocesorów.

Wygląda na to, że nie ma ograniczeń co do tego, ile producentów samochodów będą pakować w nasze samochody. Dodanie wszystkich tych elektronicznych funkcji jest jednym z czynników, które skłaniają producentów samochodów do zwiększania napięcia w samochodach z obecnego systemu 14 V do systemu 42 V. Pomoże to zapewnić dodatkową moc, której wymagają te moduły.

Aby uzyskać więcej informacji na temat komputerów samochodowych i powiązanych tematów, skorzystaj z łączy na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Jak działają hamulce przeciwblokujące
• Jak działają automatyczne poduszki powietrzne
• Jak działa Power Windows
• Jak działają elektryczne zamki do drzwi
• Jak działają mikroprocesory
• Jak będą działać latające samochody
• Kontrola stabilności
• Właściwe środki ostrożności dotyczące bezpieczeństwa dzieci w samochodach

Więcej świetnych linków

• Elementy komputera samochodowego - na ilustracji
• O co chodzi z komputerem w moim samochodzie??
• Volvo S80: Opis systemu Multiplex
• Jak działają komputery sterujące silnikiem
• Intel: Wprowadzenie do sieci w pojazdach
• Intel: implementacja protokołu J1850